ATK-M751无线通信模块在农机排放监测系统中的应用*

刘锡成 ， 何 超 ， 赵龙庆

（西南林业大学机械与交通学院，云南 昆明 650000）

0 引言

将任何对象连接到互联网的概念是一种新的范式，被称为物联网[1]。这些被称为“事物”的连接物体，连接到互联网上，以增强其功能，将普通物体变成智能物体。生活中的很多内容都可以和物联网融为一体，物联网极大地改善了人们的生活，让生活变得更加美好，可以引入的场景，如智能家居、自动驾驶汽车、智能城市和智能农业[2]。物联网可以应用于所有区域，因为任何物体无论类型或目的都可以连接起来，其中包括虚拟物体、无生命物体，甚至生物体[3]。随着农业物联网及其相关技术的飞速发展，数字化与信息化已经成为现代农业的重要研究内容之一，人们越来越重视信息。信息技术是农业物联网技术的核心，高度集成的农业与信息流是现代农业必然要求[4-5]。当前，在农业物联网中无线数据传输设备会发挥越来越重要的作用，越来越多的农业物联网的发展模式是现场总线、无线通信、嵌入式、物联网等高新技术及其与农业相关设备的有效结合和应用[6-7]。针对农机排放监测需求，课题组提出了一种利用4G DTU无线通信模块ATK-M751实现农机与远程监测平台无线通信的解决方案。

1 系统组成

农机排放监测系统由远程监测平台、农机和STM32单片机构成。CAN模块作为数据采集，ATK-M751模块作为无线通信。整个系统中采用波特率115 200 b/s在远程监测平台和农机之间进行无线通信，在通信过程中会遇到同频干扰的问题，为了避免数据出现错误，系统使用了分时TDMA（Time Division Multiple Access） 技术。系统在远程监测平台端依次采集农机排放的数据以及收发通信请求等相关信息，农机端采用的是中断方式对远程监测平台发送的地址信息进行回应，如果信息与本机地址相符则执行相应的命令。数据传输均通过无线通信模块ATK-M751完成。系统组成如图1所示。

图1 农机排放监测系统组成

2 无线通信模块ATK-M751

ATK-M751，由正点原子（ALIENTEK）团队研发，是一款高性能全网通 4G DTU 产品，能同时支持移动、联通和电信4G手机卡。有着高速率、少延迟的优势，能迅速解决应用场合下的无线数据传输方案。支持RS232和RS485两种不同的串行接口，同时还支持HTTP/TCP/UDP/MQTT/DNS/RNDIS/NTP 多种协议，可以连接原子云、OneNET、百度云和阿里云多种云服务器，并且支持自定义心跳包和注册包数据，自动定时采集任务、基站定位等。它可以被广泛应用于无线数据传输、环保行业、电力行业、工业控制、农业应用、集抄系统和智能家居等多个领域[8-10]。ATK-M751无线通信模块无线参数如图2所示。

图2 ATK-M751无线参数

3 数据传输

3.1 系统工作数据流模式

在农机排放监测系统中，为获取农机排放相关信息，用到现场总线CAN技术，STM32单片机嵌入式技术，由STM32单片机CAN接口连接农机OBD接口中的CAN读取数据，存入单片机缓存，再由配置的无线通信模块发送至远程监测平台。

3.2 通信协议

通信协议就是通信各方为了实现信息交流而建立的规则[7]。本系统使用了HTTP通信协议。因此不可避免地会遇到信源与信宿建立通信关系地址匹配的问题。而因为无线收发模块自身的特点，在通信过程中可能会受到外界的干扰引起发射端与接收端之间数据传输结果出现错误。由此就必须用通信协议来保证接收端能正确接收发送端发来的数据，以及确定其所接收数据是否为实际数据[7]。

HTTP协议，中文全称为超文本传输协议（Fieldingetal.，1999），它是互联网上最受欢迎的协议之一，被广泛用于传输网站内容[6]。其协议请求格式和协议响应格式如图3、图4所示。

图3 HTTP协议请求格式

图4 HTTP协议响应格式

4 系统应用与实现

4.1 HTTP模式配置

系统采用AT指令对ATK-M751无线通信模块进行HTTP模式配置。首先发送 AT 指令“+++”进入配置模式，输入“AT+WORK="HTTP" ”选择DTU的工作模式为HTTP模式，配置HTTP模式请求方式为 GET “AT+HTTPMD="GET" ”，配置HTTP模式请求超时时间为10 s “AT+HTTPTM="10" ”，然后配置远程监测平台服务器URL“AT+HTTPURL="远程服务器url地址" ”，配置HTTP模式下的请求头信息“AT+HTTPHD=" Connection:close" ”，最后发送AT指令“ATO”重启DTU，至此ATK-M751无线通信模块HTTP模式配置完成。

4.2 应用程序实现

只设计通信协议是不够的，系统在农机无线通信模块编程设计方面还需要考虑数据的纠错。检错的方法有很多，可以是校验和的方式，也可以是其他更好的CRC校验方式。农机排放数据发送端流程图如图5所示。

图5 农机排放数据发送端流程图

如图5的流程所示，在系统上电运行后，1）需要对设备进行初始化，需要初始化设备的相关配置。2）采集模块与车辆总线建立连接，建立连接之前需要判断系统的工作模式。当系统处在数据采集的模式，采集模块将会发送OBD协议询问信息到农机车辆总线，如果农机车辆总线有相应的数据回应，则采集模块与车辆总线的连接建立成功。3）农机排放数据的采集和存储，在连接建立成功之后判断OBD协议是否为 SAEJ1939，如果协议为SAEJ1939则采集模块根据既定协议采集农机排放数据，采集方式为循环采集，采集完成后先将数据存入单片机数据缓冲区。4）农机排放数据发送，通过ATK-M751无线通信模块将采集的农机排放数据发送到远程监测平台，在发送之前，需要ATK-M751与远程监测平台服务器先建立连接，连接建立成功后开始发送数据。至此，农机排放数据的采集和发送工作结束[8]。

在整个应用程序设计过程中，OBD 数据采集模块有休眠和唤醒两种工作状态的切换，在以下两种情况下将会进入休眠。如果农机车辆总线没有回应OBD 建立连接的询问信息，那么模块便进入到休眠状态；如果在农机排放数据采集的过程中采集到的不是连续稳定的数据，那么模块也会进入到休眠状态。关于怎样才能唤醒休眠的数据采集模块，如果总线数据活跃则被唤醒，因为农机车辆总线的状态会被采集模块定时监测，车辆总线状态发生改变，采集模块工作状态也会相应发生改变。当农机排放数据接收完毕，将进入发送状态，在进入发送状态前需要对数据进行打包，打包的数据需要添加校验位，最后将整理好的数据发送出去[8]。

5 结语

仿真结果表明，该无线通信模块实现了远程监测平台和农机之间的无线实时通信，在农机排放监测管理中，STM32单片机通过CAN接口将读取的农机排放信息，通过ATK-M751无线通信模块实时传递到远程监测平台显示并保存在数据库中，实现了实时农机排放监测管理。该装置可应用于诸多领域，且具有一定的可移植性。